GIT-Geology and Information Technology Bevagna (Pg) Giugno 2007

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1 GIT-Geology and Information Technology Bevagna (Pg) Giugno 2007 VERIFICHE IDRAULICHE: processi di automazione ed interoperabilità a livello dati tra GRASS ed Hec-RAS (Dott. Geol. Pierpaolo Chiraz)* (Dott. Geol. Andrea Ricci)* I programmi e gli ambienti di lavoro utilizzati Obiettivi e finalità Automazione procedure: script di shell in ambiente Linux Fase I: inserimento ed acquisizione dati Fase II: verifica idraulica Fase III: elaborazione e presentazione dei risultati (2D e 3D) * pierpaolo.chiraz@gfosservices.it * andrea.ricci@gfosservices.it

2 I PROGRAMMI E GLI AMBIENTI DI LAVORO UTILIZZATI GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) è un Sistema Informativo Geografico (GIS) utilizzato per la gestione, elaborazione, modellamento spaziale e visualizzazione di dati geografici; è un software che può essere acquisito, modificato e ridistribuito nei termini del GNU General Public License ( come pubblicato dalla Free Software Foundation. È utilizzabile con i seguenti sistemi operativi: GNU/Linux (Intel, PowerPC, Sun,...), Solaris (SPARC, i86), SGI IRIX, HP UX, Mac OS X (Darwin), IBM AIX, varianti BSD-Unix, FreeBSD, CRAY Unicos, ipaq/linux e altre piattaforme UNIX (32/64bit), Windows NT/Cygnus e permette di importare ed esportare i seguenti formati di dati: Raster: ASCII, ARC/GRID, E00, GIF, GMT, TIF, PNG, ERDAS LAN, Vis5D, SURFER (.grd)... Mediante la libreria GDAL è possibile leggere altri formati, come CEOS (SAR, LANDSAT7, ecc.) Vettoriali: ASCII, ARC/INFO ingenerate, ARC/INFO E00, ArcView SHAPE (con correzione della tipologia), BIL, DLG(U.S.), DXF, DXF3D, GMT, GPS-ASCII, USGS-DEM, IDRISI, MOSS, MapInfo MIF, TIGER, VRML,... Immagini (foto aeree e da satellite): AVHRR, BIL/BSQ, ERDAS LAN, HDF, LANDSAT TM/MSS, foto aeree NHAP, SAR, SPOT,... Siti (liste di dati puntiformi): XYZ ASCII, dbase. GRASS contiene oltre 350 moduli per elaborare dati raster, vettoriali e immagini multispettrali, restituire carte ed immagini sul monitor e su carta, immagazzinare dati con connessioni a diversi DBMS (PostgreSQL, ed altri tramite ODBC), visualizzare dati tridimensionali, mediante interfacce grafiche semplici e intuitive. GRASS nasce all'inizio degli anni '80 come progetto dell esercito degli Stati Uniti (US Army Corp of Engineering Research Laboratory USACerl); lo sviluppo avviene in particolare utilizzando il linguaggio C ed UNIX come sistema operativo di riferimento. Nel 1996 l esercito degli Stati Uniti prende la decisione di abbandonare lo sviluppo di GRASS; gli utenti sono invitati a migrare verso sistemi commerciali, mentre l'ultima versione di GRASS (4.1) rimane nel pubblico dominio. Alla fine del 1997, dopo oltre un anno, riesce a formarsi un nuovo team internazionale che si fa carico di continuare lo sviluppo. L'aggiunta di nuovi moduli e porzioni di codice al software di pubblico dominio pone però il problema del diritto d'autore. Nell'ottobre 1999 dopo un ampia discussione il GRASS Development Team (GDT) decide di rilasciare GRASS (5.0b) con la licenza GNU GPL. Attualmente il centro di sviluppo del software ha sede a Povo (Trento Trentino-Italia), presso l'itc-irst, ma si avvale di molti collaboratori esterni (il coordinatore del progetto è Markus Neteler) Originariamente scritto come strumento per la gestione del territorio e la pianificazione ambientale per scopi militari, GRASS si è evoluto divenendo rapidamente un potente strumento in un ampio campo di applicazioni in molte differenti aree della ricerca scientifica. GRASS è attualmente utilizzato in tutto il mondo in ambienti accademici e commerciali, in molti settori governativi, che includono NASA, NOAA, USDA, DLR, CSIRO, il National Park Service, l' U.S. Census Bureau, USGS, e in molte compagnie di consulenza ambientale.

3 I PROGRAMMI E GLI AMBIENTI DI LAVORO UTILIZZATI HEC-RAS è il sistema d analisi dei fiumi dell Hydrologic Center (HEC), del Corpo degli Ingegneri dell Esercito degli Stati Uniti d America ed è disponibile solo per Sistemi Operativi MS Windows. HEC-RAS analizza le reti di canali naturali ed artificiali, calcolando i profili del pelo libero basandosi su di un analisi a moto permanente e/o motovario monodimensionale. Il programma è in grado di effettuare l analisi di più profili contemporaneamente, prevedendo la possibilità di inserire punti singolari (ponti, sottopassi, ecc.) e portate con vari tempi di ritorno, é possibile, inoltre, un loro confronto per sovrapposizione (es. stato attuale e modificato). Sebbene HEC-RAS sia stato sviluppato da U.S. Army Corps of Engineers, il software è disponibile (free software) ed il suo uso non è circoscritto al solo Corpo degli Ingegneri dell Esercito degli Stati Uniti d America (

4 OBIETTIVI E FINALITA' L'analisi territoriale ed il monitoraggio idrogeologico stanno assumendo un ruolo sempre più importante nella pianificazione ambientale. I softwares liberi (definiti anche Open Source o a codice aperto ) mettono ormai a disposizione degli utenti validi strumenti per le elaborazioni territoriali, per il calcolo, per la simulazione e per la rappresentazione di modelli matematici. Cruciale, in tal senso, è la realizzazione di strumenti e metodi che garantiscano interoperabilità tra strumenti software liberi e proprietari. Questo è vero soprattutto laddove non esistono, o sono poco diffuse, soluzioni libere per problemi di carattere professionale. Con il presente lavoro si intende presentare un metodo che, a partire da un modello digitale del terreno (DEM) gestito all'interno di GRASS GIS consente di generare dati di input compatibili con il formato di acquisizione dei dati gis presente in Hec-Ras; Il modulo consente inoltre l'importazione in GRASS degli output relativi alle verifiche idrauliche realizzati con HecRAS. Tale processo di automazione è reso possibile dalla creazione di due script distinti: a) v.grass2hec b) v.hec2grass Le aree inondate previste saranno rappresentate sotto forma di aree vettoriali che delimitano superfici di esondazione corrispondenti a diversi tempi di ritorno. Automatizzare il più possibile le procedure significa fornire un valido supporto sia in termini di PIANIFICAZIONE TERRITORIALE che in ambito della PROTEZIONE CIVILE; è il caso ad esempio dell'individuazione delle aree di esondazione negli studi geologico-ambientali a corredo di un Piano Regolatore Generale Comunale così come degli edifici interessati da una ipotetica superficie di esondazione; in questo ultimo caso, qualora si disponesse di una banca dati completa (banca dati catastale, Anagrafe...) sarebbe possibile pensare ad un sistema mirato di allerta della popolazione. Alla luce dell'importanza che questa applicazione può assumere, il Comune di Narni (Tr) ha fornito i dati di base su cui applicare il modello, mentre le fotoaeree (Terraitaly TM it ortofoto digitale a colori Compagnia Generale Ripreseaeree S.p.A Parma) sono state fornite dalla Provincia di Terni.

5 AUTOMAZIONE PROCEDURE: SCRIPT DI SHELL IN AMBIENTE LINUX Cosa è la shell? La shell (Fig 01) è un interprete di comandi (digitati dall'utente) che vengono inviati al kernel per essere eseguiti; di fatto è un programma che tramite un'interfaccia accetta dei comandi, li trasforma in istruzioni eseguibili dal computer e li invia al kernel per l'esecuzione. I sistemi Linux permettono la programmazione della shell attraverso la creazione di script ; uno script (Fig 02) è semplicemente un listato di comandi che la shell potrà interpretare, per cui è possibile creare script apllicativi su misura per soddisfare ogni esigenza. Nel caso in questione sono stati realizzati due script di shell applicativi (in Fig.03 è riportato a titolo di esempio una parte del listato riguardante lo script v.grass2hec ): 1) v.grass2hec 2) v.hec2grass Fig 01 Fig 02

6 AUTOMAZIONE PROCEDURE: SCRIPT DI SHELL IN AMBIENTE LINUX Fig 01 Fig 03; parte del listato dello script v.grass2hec

7 AUTOMAZIONE PROCEDURE: SCRIPT DI SHELL IN AMBIENTE LINUX File input di testo formattato per l'importazione in Hec-RAS output Grass input Hec-RAS v.grass2hec GRASS HEC-RAS (LINUX)..modulo 1....modulo..n (Windows) Verifica idraulica v.hec2grass input Grass TRADUZIONE ED ELABORAZIONE output Hec-RAS File di testo esportato in formato GIS da Hec-RAS

8 FASE I: INSERIMENTO ED ACQUISIZIONE DATI Il modulo di inserimento dati prevede che siano disponibili un file raster rappresentante il DEM del territorio, un file vettoriale (areale) che individua l'estensione del bacino idrografico sotteso dal corso d'acqua ed infine il file vettoriale del corso d'acqua. Di fondamentale importanza è che il file relativo al corso d'acqua sia toplogicamente corretto; in particolare, la linea vettoriale rappresentante il corso d'acqua deve essere costituita esclusivamente da due punti ed il verso di digitalizzazione deve coincidere con il verso di scorrimento del corso d'acqua. Il modulo prevede inoltre l'inserimento del file di output che sarà utilizzato per l'importazione in HecRAS

9 FASE I: INSERIMENTO ED ACQUISIZIONE DATI Questa prima fase prevede l'inserimento degli estremi di ogni sezione di verifica che si vuole ottenere; per ogni punto indiviuato, tramite il modulo d.what.rast presente in GRASS è pos sibile estrapolare le informazioni inerenti alla po sizione geografica ed al valore della quota topo grafica. E' fondamentale che l'inserimento avvenga da valle verso monte rispetto alla direzione di scor rimento del corso d'acqua

10 FASE I: INSERIMENTO ED ACQUISIZIONE DATI Sezioni tracciate dopo l'inserimento degli estremi di verifica

11 FASE II: VERIFICA IDRAULICA Visualizzazione dei dati appena importati in Hec-RAS - Planimetria -

12 FASE II: VERIFICA IDRAULICA Visualizzazione dei dati appena importati in Hec-RAS - Sezioni -

13 FASE II: VERIFICA IDRAULICA Visualizzazione della verifica idraulica eseguita - Sezioni -

14 FASE III: ELABORAZIONE DATI Il modulo di inserimento dati prevede che siano disponibili un file raster rappresentante il DEM del territorio ed un file vettoriale (areale) che individua l'estensione del bacino idrografico sotteso dal corso d'acqua. Il modulo prevede inoltre l'inserimento del file proveniente (dall'esportazione nel formato GIS) dall'hecras ( input HEC-RAS filename )

15 FASE III: ELABORAZIONE DATI GRASS: Risultati della elaborazione dello script v.hec2grass - Planimetria

16 FASE III: RISULTATI DELLA ELABORAZIONE GRASS: Risultati della elaborazione dello script v.hec2grass visualizzazione 3D con nviz. il rosso, il giallo ed il blue rappresentano i risultati della verifica idarulica eseguita prendendo in considerazione tre differenti tempi di ritorno

17 FASE III: RISULTATI DELLA ELABORAZIONE GRASS: Risultati della elaborazione dello script v.hec2grass visualizzazione 3D con nviz

21 FASE III: RISULTATI DELLA ELABORAZIONE GRASS: Risultati della elaborazione dello script v.hec2grass visualizzazione 3D con nviz In bianco è raffigurata la traccia delle sezioni sulle quali è stata eseguita la verifica idraulica e che sono state ottenute mediante lo script v.grass2hec

22 BIBLIOGRAFIA OPEN SOURCE GIS: A GRASS GIS Approach Markus Neteler and Helena Mitasova; Kluwer Academic Publishers Group HEC-RAS River Analysis System User's Manual Approved for Public Release. Distribution Unlimited